商用GaN HEMT晶体管的100 krad总剂量辐射特性研究：静态与动态参数原位分析

《IEEE Transactions on Electron Devices》：TID Characterization of COTS HEMT GaN Transistors: An In Situ Study of Static and Dynamic Parameters up to 100 krad of Co-60 Gamma Radiation

本刊推荐：为解决辐射环境下GaN器件动态参数退化机制不明的问题，研究人员开展了商用HEMT GaN晶体管在Co-60 γ辐射下的原位研究。研究发现静态参数（阈值电压、导通电阻）变化轻微，而栅极电流增加约20%；动态参数显示传播延迟存在器件特异性差异。该研究为抗辐射功率级设计提供了关键数据支撑。

　　

在太空电子设备和核仪器等极端环境中，半导体器件需要承受高剂量电离辐射的考验。传统硅基器件在辐射环境下容易出现性能衰减，而氮化镓（GaN）材料因其3.4 eV的宽禁带特性、高击穿电压和优异的耐辐射性能，逐渐成为高功率、高频率应用的首选材料。然而，目前大多数研究聚焦于GaN器件的静态参数辐射响应，对动态参数（如传播延迟、上升/下降时间、效率损失等）在辐射环境下的退化行为仍缺乏系统认知。这些动态特性恰恰是卫星通信和核系统等需要精确时序控制应用的关键指标。

为解决这一科学问题，来自马里博尔大学的研究团队在《IEEE Transactions on Electron Devices》上发表了最新研究成果，通过对三种商用GaN HEMT晶体管进行100 krad(Si)剂量的Co-60 γ射线原位辐射实验，系统揭示了静态与动态参数的辐射响应规律。

研究团队采用模块化三阶段实验设计，包括主控板、信号调理板和待测器件附加板。关键技术方法包括：利用精密电流源和16位Δ-Σ ADC实现静态参数（阈值电压U_th、栅极电流I_g、导通电阻R_DS-on）的精确测量；通过可编程电流源和快速电流限制器构建动态测试平台，在300 kHz开关频率下监测效率（EFF）、功率损耗（P_loss）及17项动态时序参数；采用LVDS通信确保辐射环境下数据采集的稳定性。

静态参数表征结果

阈值电压呈现轻微正向漂移（MFP3从1.94 V增至2.00 V），栅极电流显著增加20%-25%，导通电阻变化幅度控制在1%以内。这些变化归因于辐射诱导的栅极介质层电荷陷阱形成，但绝对变化量远低于硅基器件水平。

动态参数表征结果

开关效率呈现器件特异性变化：p-GaN结构的MFP1效率下降7%，而肖特基栅结构的MFP2、MFP3仅下降1%-2%。传播延迟分析显示，输入至栅极高电平延迟（t_GHIPD）在肖特基栅器件中增加3%-4%，在p-GaN器件中反而降低1%，表明辐射敏感性主要存在于栅极驱动链而非GaN沟道本身。

研究结论表明，GaN HEMT晶体管在100 krad(Si)剂量下保持优异的辐射耐受性。静态参数变化幅度处于工程可接受范围，动态参数退化程度与器件结构密切相关。该研究首次系统揭示了商用GaN器件动态参数的辐射响应规律，为航天器和核设施中功率转换系统的可靠性设计提供了关键实验依据。未来研究需进一步探索更高剂量辐射、混合辐射场及退火效应的影响，推动GaN技术在极端环境应用中的成熟度。